陳 軍，喬 丹，崔 哲2，馬海濤

(1.大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 116024;2.大連理工大學(xué) 鞍山研究院，鞍山 114051)

黏接結(jié)構(gòu)是一種利用黏接劑將金屬與金屬、金屬與非金屬或非金屬與非金屬黏接起來的結(jié)構(gòu)，具有比模量高、結(jié)構(gòu)質(zhì)量小和連接應(yīng)力分散等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、車輛制造、建筑等領(lǐng)域[1]。黏接過程中工藝變量的微小差異會(huì)使黏接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷，如膠接劑在使用過程中分布不均勻，會(huì)在黏接界面上形成弱黏接、空隙和脫粘等缺陷，這些缺陷的存在會(huì)破壞黏接結(jié)構(gòu)的完整性，對(duì)其使役性能造成重大影響[2]，因此需要采用有效的無損檢測(cè)手段來評(píng)價(jià)黏接界面品質(zhì)，以保證黏接結(jié)構(gòu)的安全服役。

目前，對(duì)于黏接結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)有很多種方法，如超聲、射線、紅外和微波等。其中射線檢測(cè)的周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，不適合大面積檢測(cè)；紅外檢測(cè)技術(shù)對(duì)溫度的要求比較高，缺陷定性困難、缺陷尺寸定量精度不高[3]；微波不能檢測(cè)以金屬或碳纖維等導(dǎo)電材料為外層的復(fù)合結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷；而超聲檢測(cè)由于穿透能力強(qiáng)、靈敏度高、檢測(cè)速度快，且適用范圍廣而被廣泛使用[4]。常規(guī)的超聲檢測(cè)使用反射或透射超聲波的幅值變化或相位變化來表征材料損傷，對(duì)材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的分層、裂紋或孔洞等宏觀缺陷比較敏感，而對(duì)于微小缺陷的檢測(cè)具有一定的局限性[5]。與其相比，非線性超聲檢測(cè)則是利用在材料內(nèi)部傳播的超聲波與介質(zhì)或微小缺陷相互作用產(chǎn)生的非線性響應(yīng)信號(hào)來評(píng)估結(jié)構(gòu)性能和檢測(cè)微小缺陷的，對(duì)黏接結(jié)構(gòu)的黏接強(qiáng)度退化、弱黏接、微裂紋等特性的變化更為敏感[6]。

AZ31鎂鋁合金因強(qiáng)度高、塑性好、質(zhì)量小、耐磨性好、衰減性能好等良好的綜合性能被廣泛應(yīng)用于汽車、航空和航天等行業(yè)[7]，筆者選擇AZ31鎂鋁合金為待黏接試件、環(huán)氧樹脂E-44為膠黏劑、聚乙烯薄片為缺陷來制作黏接結(jié)構(gòu)試樣，采用模擬和試驗(yàn)的方法對(duì)含有不同弱黏接面積的AZ31黏接試樣進(jìn)行非線性表征。

1 非線性超聲理論基礎(chǔ)

由于黏接結(jié)構(gòu)界面的性能變化與非線性效應(yīng)密切相關(guān)，所以可利用脈沖超聲波在黏接結(jié)構(gòu)材料中傳播時(shí)產(chǎn)生的非線性特征來評(píng)價(jià)黏接結(jié)構(gòu)的黏接質(zhì)量[8]。該方法將超聲波與接觸界面相互作用的宏觀特性與接觸表面的微觀特性聯(lián)系起來，可以用來檢測(cè)材料內(nèi)部，如弱黏接等缺陷[9]。黏接結(jié)構(gòu)中的弱黏接和黏接界面都可能導(dǎo)致單頻或窄帶入射波的畸變，從而導(dǎo)致諧波的產(chǎn)生，這些非線性效應(yīng)導(dǎo)致應(yīng)力σ和應(yīng)變?chǔ)胖g的關(guān)系不再滿足胡克定律，需引入高階彈性項(xiàng)[10]

(1)

式中：E2和E3分別是二階和三階彈性系數(shù)。

固體介質(zhì)內(nèi)一維非線性波動(dòng)方程[11]為

(2)

式中：ρ為介質(zhì)密度；t為傳播時(shí)間；x為傳播距離。

在黏接結(jié)構(gòu)中，由部分接觸的黏接界面而導(dǎo)致的應(yīng)力-應(yīng)變行為中的非線性同樣會(huì)引起單一頻率的超聲波或者窄帶入射超聲波發(fā)生畸變，這被稱為接觸聲學(xué)非線性機(jī)制[12]。假設(shè)入射初始聲波方程為

u(0,t)=A1sinωt

(3)

式中：A1為基波幅值;w為角頻率。

使用逐級(jí)近似微擾法，可得非線性波動(dòng)方程的近似解為

u(x,t)=A1sin(ωt-kx)+

(4)

式中：k為波數(shù);β為二階非線性系數(shù)。

由式(4)可知，二次諧波幅值為

(5)

(6)

(7)

因此可以通過測(cè)量基波幅值A(chǔ)1和二次諧波幅值A(chǔ)2來確定材料的相對(duì)非線性系數(shù)β′。

2 模擬方法和結(jié)果

2.1 建模及參數(shù)選擇

根據(jù)非線性超聲理論，利用ABAQUS有限元軟件建立黏接結(jié)構(gòu)的非線性超聲檢測(cè)有限元模型。AZ31鎂鋁合金試樣的黏接長(zhǎng)度為50 mm，寬為20 mm，厚度為8 mm，超聲波沿試件厚度方向激勵(lì)和接收。建立50 mm×8 mm的二維平面單元，黏接結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖1所示。邊界條件設(shè)置為自由邊界，材料參數(shù)如表1所示。

圖1 黏接結(jié)構(gòu)有限元模型

表1 模型中的各材料參數(shù)

選擇經(jīng)Hanning窗調(diào)制的單頻正弦脈沖串作為激勵(lì)信號(hào)，調(diào)制后信號(hào)的瞬時(shí)位移載荷為

(8)

式中：f為激勵(lì)信號(hào)的頻率，選擇f=5 MHz；n為脈沖串個(gè)數(shù)，超聲波傳播過程中，脈沖串的個(gè)數(shù)越多，非線性效應(yīng)累積越明顯。

為了確保發(fā)射脈沖串與回波不發(fā)生重疊，脈沖寬度不能超過接收到回波的時(shí)間為

(9)

式中：cAZ31為超聲波在AZ31鎂鋁合金中傳播時(shí)的縱波聲速；lAZ31為被黏接試件的厚度。

經(jīng)計(jì)算n≤6.98，因此選擇n=6。將f和n代入式(8)中，得到激勵(lì)信號(hào)的時(shí)域波形如圖2所示。

通常有限元模型中的網(wǎng)格單元尺寸小于波長(zhǎng)的十分之一，模型中λAZ31=1.146 mm，λ黏接層=0.54 mm。因此，為了減少計(jì)算量，選擇AZ31鎂鋁合金層的網(wǎng)格尺寸為0.1 mm，黏接層的網(wǎng)格尺寸為0.05 mm。劃分網(wǎng)格的有限元模型如圖3所示。

圖2 激勵(lì)信號(hào)時(shí)域波形

圖3 劃分網(wǎng)格的有限元模型

2.2 模擬結(jié)果

圖4 無缺陷時(shí)接收信號(hào)的時(shí)域波形和頻域波形

圖5 無缺陷和缺陷尺寸為2 mm×2 mm時(shí)接收信號(hào)的頻域波形

依次對(duì)含有尺寸(長(zhǎng)×寬)為2 mm×2 mm，4 mm×4 mm，6 mm×6 mm，8 mm×8 mm的弱黏接缺陷模型進(jìn)行模擬計(jì)算，無缺陷時(shí)接收信號(hào)的時(shí)域波形和頻域波形如圖4所示。有缺陷時(shí)接收信號(hào)波形發(fā)生變化，圖5(a)和5(b)分別是無缺陷和缺陷尺寸為2 mm×2 mm時(shí)接收信號(hào)的頻域波形，可以發(fā)現(xiàn)基波幅值和二次諧波幅值都發(fā)生了明顯變化，根據(jù)式(7)計(jì)算不同尺寸缺陷的相對(duì)非線性系數(shù)β′，計(jì)算結(jié)果見表2，相對(duì)非線性系數(shù)隨缺陷尺寸的變化曲線如圖6所示。從圖6和表2可以看出，隨著缺陷尺寸的增大，基波和二次諧波的幅值逐漸減小，而非線性系數(shù)卻逐漸增大。由于缺陷尺寸的增大，透射聲波的能量越來越小，故基波和二次諧波幅值呈逐漸減小的趨勢(shì)；但由于非線性效應(yīng)的增加，二次諧波幅值的下降比基波幅值下降得慢，導(dǎo)致非線性系數(shù)隨著缺陷尺寸的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。表明超聲非線性系數(shù)對(duì)黏接結(jié)構(gòu)試樣中弱黏接缺陷尺寸的變化非常敏感。

表2 接收信號(hào)幅值和相對(duì)非線性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖6 相對(duì)非線性系數(shù)隨缺陷尺寸的變化曲線

圖7 試樣尺寸示意

3 試驗(yàn)過程

3.1 試樣制備

試樣尺寸示意如圖7所示。在試樣切割完成后，使用粒度為400的砂紙輕微打磨試樣表面，然后用無水乙醇擦拭待黏接試樣的連接部分，清潔試樣黏接面的雜質(zhì)。在制作黏接結(jié)構(gòu)試樣時(shí)，預(yù)先埋入尺寸分別為2 mm×2 mm，4 mm×4 mm，6 mm×6 mm，8 mm×8 mm的聚乙烯薄片作為弱黏接缺陷，將配置好的膠黏劑放置在40℃左右的溫水上，不斷攪拌至沒有氣泡后均勻涂抹于試樣連接處，然后按壓試樣黏接處使其平面保持平整，保證幾個(gè)試樣的厚度基本一致，最后將黏接試樣放置24 h后，即可作為檢測(cè)試樣使用。

3.2 非線性系數(shù)的測(cè)量

采用脈沖透射法來測(cè)量非線性系數(shù)，測(cè)試系統(tǒng)為美國Ritec公司生產(chǎn)的RAM-5000-SNAP非線性超聲測(cè)試系統(tǒng)(見圖8)。RAM系統(tǒng)能夠通過門式放大器來增強(qiáng)入射波的振幅，發(fā)射單一頻率的正弦脈沖串。試驗(yàn)中的激勵(lì)信號(hào)所用的頻率和脈沖串個(gè)數(shù)與模擬中的一樣，分別是5 MHz和6。為了保證發(fā)射信號(hào)的波形不發(fā)生畸變，選擇衰減為13 dB，輸出電壓為30 V。示波器的采樣頻率為1 GHz·s-1，接收探頭的中心頻率為10 MHz。無缺陷時(shí)接收信號(hào)的時(shí)域波形和頻域波形如圖9所示。有缺陷時(shí)接收信號(hào)的波形發(fā)生了變化，圖10分別是無缺陷和缺陷尺寸為2 mm×2 mm時(shí)基波與二次諧波信號(hào)的幅頻特性曲線。根據(jù)式(7)來計(jì)算不同弱黏接面積的黏接結(jié)構(gòu)試樣的相對(duì)非線性系數(shù)。

圖8 非線性超聲測(cè)試系統(tǒng)框圖

圖9 無缺陷時(shí)接收信號(hào)的時(shí)域波形和頻域波形

圖10 無缺陷和缺陷尺寸為2 mm×2 mm時(shí)接收信號(hào)的幅頻特性曲線

圖與A2的關(guān)系曲線

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

接收信號(hào)幅值及相對(duì)非線性系數(shù)測(cè)量結(jié)果如表3所示，表3中數(shù)據(jù)是經(jīng)過10次測(cè)量得到的平均值，相對(duì)非線性系數(shù)與弱黏接面積的關(guān)系曲線如圖12所示。

表3 接收信號(hào)幅值及相對(duì)非線性系數(shù)測(cè)量結(jié)果

圖12 相對(duì)非線性系數(shù)與弱黏接面積的關(guān)系曲線

從表3中的數(shù)據(jù)變化可以看出，隨著弱黏接面積的增加，基波和二次諧波幅值都不斷減小。這是因?yàn)楫?dāng)入射超聲波遇到脫黏界面時(shí)，界面兩側(cè)材料的聲阻抗差異較大，接收到超聲波信號(hào)的能量減少，隨著弱黏接面積的增大，接收到信號(hào)的能量變?nèi)?，接收信?hào)基波和二次諧波的幅值越來越小。

從圖12可以看出,隨著弱黏接面積的增大，相對(duì)非線性系數(shù)逐漸增大。超聲波傳播過程中的非線性來源主要分為經(jīng)典非線性和接觸非線性:前者主要與材料晶格的非簡(jiǎn)諧性有關(guān)，是材料的固有屬性；后者主要與材料內(nèi)部裂紋、接觸面或者界面的應(yīng)力-應(yīng)變非線性有關(guān)。通過對(duì)響應(yīng)信號(hào)頻譜分析可知，完好黏接部位信號(hào)頻譜中的非線性系數(shù)較小，這部分的非線性與材料經(jīng)典非線性有關(guān)，是材料晶格非簡(jiǎn)諧性所致。當(dāng)黏接界面含有缺陷時(shí)，超聲回波信號(hào)的非線性系數(shù)變大，而且隨著脫黏面積的增大非線性效應(yīng)增加得更快。

4 結(jié)語

通過對(duì)黏接結(jié)構(gòu)試樣中的弱黏接缺陷進(jìn)行非線性超聲檢測(cè)和ABAQUS有限元模擬，發(fā)現(xiàn)隨著弱黏接缺陷尺寸的增大，基波和二次諧波幅值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，而相對(duì)非線性系數(shù)則逐漸增大，而且非線性系數(shù)的相對(duì)變化量約是基波幅值相對(duì)變化量的5.4倍，表明了非線性超聲檢測(cè)在黏接結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)方面的有效性。利用非線性超聲檢測(cè)可以檢測(cè)出黏接結(jié)構(gòu)中的弱黏接缺陷，為黏接結(jié)構(gòu)黏接界面缺陷的定性、定量檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)，也為多層黏接結(jié)構(gòu)界面黏接質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了指導(dǎo)意義。